高速動車組S38C車軸疲勞、裂紋擴展特性及可靠性研究.pdf

1、S38C車軸作為中國現代高速鐵路主力車軸類型之一，廣泛應用于CRH2A、CRH2B、CRH2C以及CRH2E這幾種動車組上。但是由于S38C車軸進口以及材料加工的特殊性，我國現階段對此種車軸的研究僅僅處于起步階段，研究成果較少。本論文研究了S38C高速動車組車軸小試樣和實物車軸的疲勞及裂紋擴展特性，對空心車軸裂紋應力強度因子及裂紋擴展進行了仿真分析，并且對車軸疲勞裂紋的剩余壽命和運行可靠性進行了評價。以上研究目的是為S38C車軸制定檢修

2、周期與管理方法提供依據。主要內容如下:
　　1、直接從車軸表面選取試樣，沿徑向進行車軸鋼材料顯微硬度及金相組織的測試。選取車軸芯部組織材料制作三點彎曲疲勞試樣，針對S38C表面材料分層變化，且硬化層與過渡層較薄的特點，根據車軸真實硬度及顯微組織，利用熱模擬機模擬S38C車軸鋼高頻淬火工藝，并利用自制淬火裝置進行批量加工，得到與實際車軸表面材料屬性相同的小試樣。加工好的試樣在疲勞試驗臺進行疲勞試驗，擬合試驗結果獲得車軸鋼材料的S-N

3、曲線，采用升降法得到其疲勞極限，并使用MM法則對低于疲勞極限的S-N曲線進行修正。制作表面壓坑缺陷與表面鉆孔缺陷三點彎曲小試樣，試驗得到對應疲勞極限。研究了感應加熱淬火、馬弗爐加熱淬火和鹽浴爐加熱淬火三種不同熱處理工藝對車軸鋼疲勞性能的影響及預扭轉技術對車軸鋼疲勞性能的影響。根據車軸實際損傷情況，在實物車軸表面制造人工缺陷，分別為環(huán)形溝槽與V型溝槽，將加工好的實物車軸放置于懸臂梁式車軸疲勞試驗臺上進行實物車軸疲勞試驗。分析了疲勞試驗結果

4、，結果表明含缺陷實物車軸與含缺陷小試樣考慮應力集中影響的最大名義應力結果非常接近，并且“軸身擦傷深度不大于0.1mm，撞擊傷深度不大于0.3mm”的檢修規(guī)程偏于保守。
　　2、直接從實際車軸表面截取試樣，保持實際車軸表層原有的硬度和顯微組織梯度變化，在試樣的車軸表面一側制造人工缺陷，通過試驗獲得裂紋擴展數據，并根據距車軸表層不同深度的硬度和顯微組織的變化規(guī)律提出了分層考慮裂紋擴展的方法，將結果分為0-2mm，2-4mm以及4-8m

5、m三個組別，分別擬合三個分組的Paris公式與Forman公式，并將兩種公式擬合結果進行了比較。采用兩根實物車軸進行國內首次S38C車軸裂紋擴展試驗，分別使用應變片、磁粉探傷結合的方法以及ARAMIS裂紋監(jiān)測系統(tǒng)進行車軸表面裂紋的監(jiān)測。在實物車軸表面制造人工缺陷，放置于車軸疲勞試驗臺上制作裂紋并進行裂紋擴展試驗，試驗結束后，觀察車軸斷口，利用試驗數據擬合實物車軸Paris公式，并與小試樣的Paris公式進行比較分析。從裂紋擴展特性角度分

6、析，“軸身擦傷深度不大于0.1mm，撞擊傷深度不大于0.3mm”的檢修規(guī)程同樣可以考慮適當放寬。
　　3、考慮到空心車軸中心孔的影響，對實心車軸表面裂紋的應力強度因子解析模型進行修正，得到空心車軸表面裂紋應力強度因子的解析模型。建立有限元車軸模型，在車軸表面建立不同深度、不同形狀比半橢圓裂紋，將解析解與有限元解進行比較。在空心車軸表面裂紋應力強度因子解析式的基礎上，又進一步推導出考慮殘余壓應力的解析模型，同時結合建立考慮殘余應力的

7、有限元模型，將兩者計算結果進行比較。又將結果與不考慮殘余應力的解進行比較，結果表明殘余壓應力明顯降低了裂紋前緣應力強度因子。研究了殘余壓應力對于裂紋擴展的影響，通過子程序引入初始殘余壓應力，采用先進裂紋擴展仿真技術XFEM與VCCT結合的方法進行裂紋擴展仿真計算，研究結果表明殘余壓應力對裂紋擴展的抑制作用很明顯。使用Zencrack仿真軟件，采用實物車軸試驗得到的裂紋擴展參數，進行了車軸裂紋擴展仿真計算，使用仿真結果對實物車軸裂紋擴展壽

8、命進行了計算。
　　4、基于線路實測數據，采用雨流計數得到S38C車軸的應力譜。結合小試樣試驗得到的車軸鋼疲勞性能數據，應用Miner線性累積損傷法則計算得到車軸等效應力。結合小試樣裂紋擴展試驗得到的車軸鋼材料裂紋擴展數據及不同形狀比裂紋的應力強度因子預測車軸裂紋臨界尺寸和剩余壽命。在概率斷裂力學的基礎上，運用應力-強度干涉模型，將“應力”選取為裂紋前緣應力強度因子，“應力”隨機變量選為車軸等效應力，“強度”選取為車軸的斷裂韌性，